EP1004130B1 - Sicherungselement für elektrische anlagen sowie verfahren und schaltungsanordnung zum betreiben eines sicherungselements - Google Patents

Sicherungselement für elektrische anlagen sowie verfahren und schaltungsanordnung zum betreiben eines sicherungselements Download PDF

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EP1004130B1
EP1004130B1 EP98942589A EP98942589A EP1004130B1 EP 1004130 B1 EP1004130 B1 EP 1004130B1 EP 98942589 A EP98942589 A EP 98942589A EP 98942589 A EP98942589 A EP 98942589A EP 1004130 B1 EP1004130 B1 EP 1004130B1
Authority
EP
European Patent Office
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current
fuse
heating
heating element
protective element
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP98942589A
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English (en)
French (fr)
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EP1004130A1 (de
Inventor
Rainer Mäckel
Thomas Schulz
H. Wolfgang Grueninger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
DaimlerChrysler AG
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Filing date
Publication date
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Publication of EP1004130A1 publication Critical patent/EP1004130A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1004130B1 publication Critical patent/EP1004130B1/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H3/00—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection
    • H02H3/08—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to excess current
    • H02H3/087—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to excess current for DC applications
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H85/00—Protective devices in which the current flows through a part of fusible material and this current is interrupted by displacement of the fusible material when this current becomes excessive
    • H01H85/02—Details
    • H01H85/46—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the protective device
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H85/00—Protective devices in which the current flows through a part of fusible material and this current is interrupted by displacement of the fusible material when this current becomes excessive
    • H01H85/02—Details
    • H01H85/46—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the protective device
    • H01H2085/466—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the protective device with remote controlled forced fusing

Definitions

  • the invention relates to a fuse element for electrical systems, in particular for vehicles, a method for operating such a securing element and a suitable circuit arrangement.
  • DE-A1-195 27 997 discloses an arrangement with which the triggering of a Fusible fuse is easier to specify.
  • the electrical current through the Fuse measured and a thyristor connected in parallel to the line to be protected, which can be switched on in the event of an overcurrent.
  • a threshold value is exceeded, the thyristor switches on and generates an additional, high overcurrent in the fuse, which can cause the fuse to trip should.
  • the disadvantage of this arrangement is that for large fuse values with high nominal tripping currents, large thyristors with nominal currents of a few hundred amperes or several thyristors must be used in parallel.
  • Thyristors are basically, for example, AT 383 697, DE 195 27 997 as well as US 53 04 974 and US 48 07 082, their interconnection however, is extremely disadvantageous as it generally affects the utility circuit permanently burden.
  • a fuse element for a circuit also suitable for use in vehicles with a fuse that is used in a interrupts the current load of the circuit above the nominal current, the fuse element thermally with an additional heating resistor is coupled and the heating element heats the fuse element and the Separation of the fuse element is affected.
  • the heating element and the fuse element are in series in the circuit to be protected and are the same Contacts connected in the circuit. It is therefore disadvantageous that the heating element cannot be influenced independently of the fuse element current. In this Connexion is particularly disadvantageous in that the heating element does not have a separate one has additional control connection and is not switchable.
  • Task according to the invention is therefore a securing element, a method for Operation of the fuse element and a circuit arrangement to specify a Independent influencing of the heating element separately from the security element allowed and a separation of the fuse element due to individually adjustable parameters of the tripping current enables.
  • the invention is that the fuse element in the area of its fuse element is heated by an additional heating element.
  • the advantage is that the Fusible conductor caused by any current flow through the fuse element can already be warmed up, in the event of a tripping by external heating its melting temperature warmed up, so that it quickly unwanted current flow interrupts.
  • the heating element can be switched on in a controlled manner.
  • the heating element advantageously has an electrical heating resistor the heating resistor is a resistance wire or a thick film resistor or a film resistor.
  • the heating resistor preferably has in the region of its metal element with the highest electrical resistance. Another preferred Execution is when the heating resistor is in the range of its highest electrical Resistance has a semiconductor material. This has the advantage that the Heating resistor can be in direct contact with the fuse element, while otherwise insulation or other spacing is necessary.
  • a particularly inexpensive version is when the heating element is made by an exothermic Reaction element, in particular a welding foil, is formed.
  • an exothermic Reaction element in particular a welding foil
  • Welding foil from a layer sequence of a plurality of alternately arranged, very thin metal foils, preferably made of aluminum and nickel.
  • a particularly advantageous embodiment consists of the heating element with a Control unit for variable activation and / or control of the heating power connect. This makes it possible to use the same securing element differently To reproduce characteristics and also different nominal tripping currents, see above that the triggering curve of the securing element can be changed dynamically.
  • Usual fuses consist of a defined shaped electrical conductor with a defined resistance. By the Current flow is heated the conductor, preferably in a specially prepared area in the called the following fuse element, and, depending on the fuse type, reaches between 420 ° C and over 1000 ° C its melting point. The melting of the fuse element leads to an open circuit. Often a tin pill is put on the Fusible conductor applied, which melts above 230 ° C and a reaction with the melting time material, which lowers the melting point of the fuse element.
  • the solution according to the invention consists in the securing element, preferably the Fusible conductor, to be heated with the help of external heating and thus at a nominal current, the smaller than or at most the same size as its design-related nominal Tripping current is to trip reliably.
  • the external heating consists of a heating element, which are preferably heated after a trigger signal occurs can.
  • An advantageous embodiment is the heating element due to Joule heat development to heat a resistance heater.
  • Another advantageous embodiment is heat in the heating element through an exothermic, self-sustaining reaction produce. It is favorable for resistance heating if the entire vehicle electrical system voltage, in particular the battery voltage used to heat the heating element can be.
  • the advantage is that the heating element is therefore already low Current can become hot enough to directly or indirectly lead to the fuse element To bring trigger. A high current through the fuse element can therefore can be switched off by a lower current through the heating element.
  • An advantageous embodiment is the fuse element directly through the action of heat Oberzuschmelzen.
  • the advantage of this solution is that the fusible conductor the full mains voltage can be supplied while the voltage drop at the fuse element can be limited to a maximum of 200 mV.
  • One opposite the nominal tripping current of the fuse can be much lower Accordingly, the heating element develops the same heating power as an overcurrent in the Magnitude of the tripping current in the fuse element.
  • the ratio of the currents, that flow through the fuse element and through the heating element behave preferred as the reciprocal tension ratio on the fuse element and on Heating element. With a voltage drop of 12 V across the heating element and one Voltage drop of 200 mV across the fuse results in a current through the Heating element that is sixty times smaller than the current through the fuse element. This ensures that in particular a vehicle battery the trigger current for the fuse can apply.
  • Another advantageous embodiment is when the heating element itself fuse additionally heated without the. Melt the fuse element immediately.
  • The. thermal Radiation from the heating element preheats the fuse and brings especially the fuse element close to its melting temperature, so that a low overcurrent in the fuse element for reliable triggering of the Securing element leads.
  • the fuse element through the current flow in the circuit is preheated and if triggered by an additional current flow through the Heat conductor and / or is melted by its heat radiation.
  • the heating element is preferably only switched on when an error is pending.
  • Different states, in particular error signals can be used as switch-on criteria. serve, preferably overcurrent signals for overcurrent monitoring of a consumer and / or temperature signals for overtemperature monitoring of a consumer and / or voltage signals and / or crash signals, in particular to electrical Disconnect consumers from the vehicle electrical system in the event of an accident.
  • An advantage of the solution according to the invention is that the requirements for the original securing element reduced in terms of design tolerances can be. Another advantage is that the ohmic resistance of the fuse element can be lowered because the fuse element is not generate even more the ohmic power loss for triggering the fuse element got to. This makes the voltage drop from the battery to the consumer advantageous reduced.
  • a great advantage of the invention is the possibility of using the same fuse element different characteristics and / or different nominal trip currents to reproduce.
  • the triggering curve of the securing element can advantageously be achieved by a suitable intelligent control unit can be changed dynamically. This has the favorable consequence that the same securing element for different loads of an electrical conductor can be used, especially with different ones Optional equipment variants of a vehicle and / or for different vehicles. This makes it possible to use different vehicles with a relatively unified style to provide electrical protective equipment, which greatly simplifies production and brings cost advantage.
  • a preferred heating conductor of the heating element is a resistance wire or a film resistor or a thick-film resistor or a carbon resistor or another element which develops a Joule heat sufficient for a heating element when an electric current flows.
  • Such a preferred heating conductor is expediently not in direct contact with the heating conductor, in particular at a distance from the fusible conductor.
  • Electrical insulation is preferably arranged between the heating conductor and the fuse element.
  • the insulation is expediently highly thermally conductive; Materials such as AlN and / or Al 2 O 3 and / or semiconductor materials are particularly suitable.
  • the use of a semiconductor as a heating conductor can be advantageous since it can be in direct contact with the fuse element without the latter being short-circuited.
  • the electrical insulation between the heating conductor and the fuse element enables this Utilization of the full mains voltage for the heating conductor.
  • the heating element be electrically connected to the fuse on one side.
  • the one-sided is expedient Connection on the electrical system side of the fuse is at the front and parallel to the Consumer.
  • Another preferred heating element consists of an exothermic reaction element, in particular a welding foil that a by the action of an ignition pulse triggers a strongly exothermic reaction and very high temperatures in a very short time reached.
  • the firing pulse of the reaction element can advantageously be with a transistor or a surge from a capacitor. More beneficial Thermal activation is one way of generating an ignition pulse and / or flash of light, especially in the ultraviolet range, and / or ignition sparks, especially from a battery. It is only necessary to use the reaction element heat locally to ignite the reaction.
  • the welding foil preferably consists of a series of very thin metal foils, especially made of aluminum and nickel foils, which are stacked alternately are.
  • a typical layer thickness of the individual foils is in the range of a few Atomic layers up to 100 atomic layers.
  • this type of heating element does not have its own power supply needed, but only a suitable ignition pulse. It is advantageous that the ignition pulse is generated and / or controlled by a suitable control leaves, so that a reliable and fast triggering is possible in the event of a fault.
  • FIG. 1 an arrangement according to the invention is shown, which also all features of the circuit arrangement.
  • a battery 1 supplies one in an electrical system Consumer 10.
  • a fuse element arranged, which has a battery-side connection 2, an electrical system-side connection 3 and an intermediate fuse element 4.
  • a tin bead 5 is expediently additionally arranged on the fusible conductor 4.
  • the fusible conductor 4 and the tin pearl 5 are thermal with an electrical in contrast, insulated heating element 6 in connection.
  • This heating element 6 is electrically in series with a controllable switching element 7, for example the drain connection of a mosfet which is connected to ground on the source side.
  • the second connection of the heating element 6 is connected to the electrical system-side connection 3 of the fuse element connected.
  • the Current in line 11 can be determined.
  • a trigger curve in the evaluation unit the securing element filed. In the simplest case, this can be a threshold and / or a current / time behavior of the fuse element.
  • the unit 8 switches this Component 7, so that a current flows through the heating element 6 and this very warmed up quickly.
  • the fuse element 4 of the fuse becomes almost as fast heated by the thermal load of the heating conductor 6, and the fuse releases as a result out. Since the heating element 6 is connected to the fuse on the vehicle electrical system side, after after the fuse has tripped, no more current flows through the heating element 6.
  • the heating element 6 is connected to the fuse element 2, 3 on the electrical system side. 4, 5 is connected, because in the event of a trigger, the heating circuit of the heating element 6 automatically is also opened.
  • the heating current with which the heating element is heated is also through the fuse element 4 and / or the fuse element 2, 3, 4, 5 flows because of Heating current can then be used twice by the fuse element through the External heating and additionally heated by the additional current flow and so can be heated more quickly above its melting temperature.
  • control unit 8 It is expedient to supply the control unit 8 with the electrical connection 3 of the fuse element 2, 3, 4, 5 to connect, since in the event of a trigger the control unit is then automatically disconnected from the vehicle electrical system.

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  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)

Description

Die Erfindung betrifft ein Sicherungselement für elektrische Anlagen, insbesondere für Fahrzeuge, ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Sicherungselements sowie eine geeignete Schaltungsanordnung.
Insbesondere in Kraftfahrzeugen werden zur Absicherung von elektrischen Leitungen Schmelzsicherungen eingesetzt. Die Absicherung mit Schmelzsicherungen hat den Nachteil, daß sich mit diesen Sicherungen kein optimaler Leitungsschutz erreichen läßt.
Beim Auftreten kurzfristig anliegender Überströme kann eine übliche elektrische Leitung im Fahrzeug wesentlich mehr Strom tragen als die Schmelzsicherung, so daß für kurzzeitige Überströme eine übliche Schmelzsicherung unterdimensioniert ist. Im Bereich länger andauernder Überströme schaltet die Sicherung dagegen zu spät ab, so daß in diesem Fall eine elektrische Leitung und/oder Verbraucher nicht ausreichend geschützt ist. Bei einem Überstrom von 35% gegenüber dem nominalen Auslösestrom der Sicherung kann es bis zu einer halben Stunde dauern, bis eine Schmelzsicherung tatsächlich auslöst. Bei einem Überstrom von 250%, der dem 3,5-fachen nominalen Auslösestrom der Sicherung entspricht, kann es noch 5 Sekunden bis zur Sicherungsauslösung dauern.
Ein weiteres Problem ist dadurch gegeben, daß bei Sicherungswerten mit hohen nominalen Auslösestromwerten der tatsächliche Auslösestrom wesentlich höher sein muß, um die Si- cherung ausreichend schnell auszulösen. Für eine Schmelzsicherung mit einem nominalen Auslösestrom von 250 A oder mehr bedeutet dies, daß bei ei-nem Überstrom von 250% demnach ein Strom von mindestens 875 A fließen muß, um die Sicherung ausreichend schnell auszulösen. Bei einem Kurzschluß mehrerer Leitungen, insbesondere in einem Fahzeug bei einem Unfall, kann nicht sichergestellt werden, daß die Batterie überhaupt einen ausreichend großen Strom zum Auslösen einer solchen Schmelzsicherung zur Verfügung stellen kann.
In der DE-A1-195 27 997 ist eine Anordnung offenbart, mit der das Auslösen einer Schmelzsicherung besser vorgebbar ist. Dabei wird der elektrische Strom durch die Sicherung gemessen und parallel zu der abzusichernden Leitung ein Thyristor geschaltet, der im Fall eines Überstromes definiert eingeschaltet werden kann. Sobald ein Schwellwert überschritten ist, schaltet der Thyristor ein und erzeugt einen zusätzlichen, hohen Überstrom in der Sicherung, der zum Auslösen der Sicherung führen soll. Der Nachteil dieser Anordnung besteht darin, daß für große Sicherungswerte mit hohen nominalen Auslöseströmen große Thyristoren mit Nennströmen von einigen hundert Ampere bzw. mehrere Thyristoren paral-lel eingesetzt werden müssen. Es ist nicht sichergestellt, daß die notwendigen Nennströme für das Auslösen entsprechender Thyristoren überhaupt von der Batterie aufgebracht werden können. Beheizte Sicherungseiemente sind grundsätzlich beispielsweise der AT 383 697, der DE 195 27 997 sowie der US 53 04 974 und US 48 07 082 zu entnehmen, deren Verschaltung jedoch äußerst nachteilig ist, da sie im allgemeinen den Nutzstromkreis dauerhaft belasten.
Aus der GB 2182811 A ist eine gattungsbildende Patentanmeldung bekannt. Aus der GB 2182811 A ist bekannt, ein Sicherungselement für einen Stromkreis, auch geeignet für die Verwendung in Fahrzeugen, mit einer Schmelzsicherung, die bei einer über dem Nennstrom liegenden Strombelastung des Stromkreises bleibend unterbricht, wobei das Sicherungselement thermisch mit einem zuätzlichen Heizwiderstand gekoppelt ist und das Heizelement das Sicherungselement erwärmt und die Trennung des Schmelzleiters beeinflußt. Das Heizelement und das Sicherungselement befinden sich in Serie in dem abzusichernden Stromkreis und sind mit den gleichen Kontakten im Stromkreis angeschlossen. Nachteilig ist daher, daß das Heizelement nicht unabhängig vom Schmelzleiterstrom beeinflußt werden kann. In diesem Zusammnehang ist besonders nachteilig, daß das Heizelement über keinen getrennten zusätzlichen Steueranschluß verfügt und nicht schaltbar ist.
Erfindungsgemäße Aufagbe ist es daher ein Sicherungselement, ein Verfahren zum Betrieb des Sicherungselementes und eine Schaltungsanordnung anzugeben, die eine unabhängige Beeinflussung des Heizelementes getrennt vom Scicherungselement erlaubt und eine Trennung des Schmelzleiters aufgrund individuell einstellbarer Parameter des Auslösestroms ermöglicht.
Die Aufgaben werden durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weiterführende und vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen und der Beschreibung zu entnehmen.
Die Erfindung besteht darin, daß das Sicherungselement im Bereich seines Schmelzleiters durch ein zusätzliches Heizelement erwärmt wird. Der Vorteil ist, daß der Schmelzleiter, der durch einen etwaigen Stromfluß durch das Sicherungselement bereits erwärmt sein kann, sich im Auslösefall durch Fremdbeheizung schnell über seiner Schmelztemperatur erwärmt, so daß er einen unerwünschten Stromfluß schnell unterbricht. Das Heizelement ist gesteuert einschaltbar.
Günstigerweise steht am Heizelement ein großer Spannungsabfall, der größer ist als der Spannungsabfall am Schmelzleiter, insbesondere die Bordnetzspannung oder die Batteriespannung, zur Verfügung.
Vorteilhafterweise weist das Heizelement einen elektrischen Heizwiderstand auf Bevorzugt ist der Heizwiderstand ein Widerstandsdraht oder ein Dickschichtwiderstand oder ein Folienwiderstand. Vorzugsweise weist der Heizwiderstand im Bereich seines höchsten elektrischen Widerstands ein metallisches Element auf. Ein weitere bevorzugte Ausführung ist, wenn der Heizwiderstand im Bereich seines höchsten elektrischen Widerstands ein Halbleitermaterial aufweist. Dies hat den Vorteil, daß der Heizwiderstand in unmittelbarem Kontakt mit dem Schmelzleiter sein kann, während sonst eine Isolierung oder eine andere Beabstandung notwendig ist.
Eine besonders günstige Ausführung ist, wenn das Heizelement durch ein exothermes Reaktionselement, insbesondere eine Schweißfolie, gebildet ist. Bevorzugt besteht die Schweiß-folie aus einer Schichtfolge einer Mehrzahl von abwechselnd angeordneten, sehr dünnen Metallfolien, bevorzugt aus Aluminium und Nickel. Der Vorteil dabei ist, daß durch ein von unerwünschten Betriebszuständen abhängiges Zündsignal eine stark exotherme Reaktion der Schweißfolie auslösbar ist, die wiederum den Schmelzleiter sehr schnell auf seine Schmelztemperatur aufheizt und damit der Stromkreis unterbrochen wird.
Ein besonders vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, das Heizelement mit einer Steuerungseinheit zur variablen Einschaltung und/oder Steuerung der Heizleistung zu verbinden. Dies ermöglicht es, mit demselben Sicherungselement unterschiedliche Charakteristiken und auch unterschiedliche nominale Auslöseströme nachzubilden, so daß die Auslösekurve des Sicherungselements dynamisch veränderbar ist.
Im folgenden sind die Merkmale, soweit sie für die Erfindung wesentlich sind, eingehend erläutert und anhand von einer Prinzipskizze einer Schaltung näher beschrieben.
Übliche Schmelzsicherungen gemäß dem Stand der Technik bestehen aus einem definiert geformten elektrischen Leiter mit einem definierten Widerstand. Durch den Stromfluß wird der Leiter erhitzt, bevorzugt in einem speziell präparierten Bereich, im folgenden Schmelzleiter genannt, und erreicht, je nach Sicherungstyp, zwischen 420°C und über 1000°C sei- nen Schmelzpunkt. Das Aufschmelzen des Schmelzleiters führt zu einer Unterbrechung des Stromkreises. Häufig wird eine Zinnpille auf den Schmelzleiter aufgebracht, welche ober- halb von 230°C aufschmilzt und eine Reaktion mit dem Schmelzieitermaterial eingeht, die eine Erniedrigung des Schmelzpunktes des Schmelzleiters zur Folge hat.
Durch einen dem Verbraucher parallelgeschalteten Thyristor gemäß dem aus der DE-A1 195 27 997 bekannten Stand der Technik wird der Schmelzleiter mit einem zusätzlichen, hohen Strom belastet, der. durch zusätzliche ohmsche Verluste den Schmelzleiter zum Durch-schmelzen bringt, ohne daß die Leitung mit dem zusätzlich auftretenden Überstrom belastet wird.
Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, das Sicherungselement, bevorzugt den Schmelzleiter, mit Hilfe einer Fremdbeheizung zu erwärmen und so bei einem Nennstrom, der kleiner als oder höchstens gleich groß wie sein bauartbedingter nominaler Auslösestrom ist, zuverlässig auszulösen. Die Fremdbeheizung besteht aus einem Heizelement, welches vorzugsweise nach Auftreten eines Auslösesignals erhitzt werden kann. Eine vorteilhafte Ausführung ist, das Heizelement durch Joulesche Wärmeentwicklung einer Widerstandsheizung zu erhitzen. Eine weitere vorteilhafte Ausführung ist, Wärme im Heizelement durch eine exotherme, sich selbst erhaltende Reaktion zu erzeugen. Günstig bei einer Widerstandheizung ist, wenn die gesamte Bordnetzspannung, insbesondere die Batteriespannung, zum Erhitzen des Heizelementes verwendet werden kann. Der Vorteil ist, daß das Heizelement deshalb bereits mit einem geringen Strom heiß genug werden kann, um den Schmelzleiter mittelbar oder unmittelbar zum Auslösen zu bringen. Ein hoher Strom durch das Sicherungs-element kann demnach durch einen geringeren Strom durch das Heizelement abgeschaltet werden.
Eine vorteilhafte Ausführung ist, den Schmelzleiter durch Wärmeeinwirkung unmittelbar durchzuschmelzen. Der Vorteil dieser Lösung ist, daß der Schmelzleiter durch die volle Netzspannung versorgt werden kann, während der Spannungsabfall am Sicherungselement selbst auf höchstens 200 mV begrenzt werden kann. Ein gegenüber dem nominalen Auslösestrom der Sicherung wesentlich geringerer Strom kann im Heizelement demnach dieselbe Heizleistung entwickeln wie ein Überstrom in der Größenordnung des Auslösestroms im Sicherungselement. Das Verhältnis der Ströme, die durch das Sicherungselement und durch das Heizelement fließen, verhalten sich bevorzugt wie das reziproke Spannungsverhältnis am Sicherungselement und am Heizelement. Bei einem Spannungsabfall von 12 V über dem Heizelement und einem Spannungsabfall von 200 mV über der Sicherung ergibt sich eine Strom durch das Heizelement, der sechzigmal kleiner ist als der Strom durch das Sicherungselement. Damit ist sichergestellt, daß insbesondere eine Fahrzeugbatterie den Auslösestrom für die Schmelzsicherung aufbringen kann.
Eine weitere vorteilhafte Ausführung ist, wenn das Heizelement die Sicherung selbst zusätzlich erwärmt, ohne den. Schmelzleiter unmittelbar durchzuschmelzen. Die. thermische Abstrahlung des Heizelements wärmt die Schmelzsicherung vor und bringt insbesondere den Schmelzleiter in die Nähe seiner Schmelztemperatur, so daß ein geringer Überstrom im Sicherungselement bereits zur zuverlässigen Auslösung des Sicherungselements führt.
Günstig ist auch, wenn das Sicherungselement durch den Stromfluß im Stromkreis vorgewärmt wird und im Auslösefall durch einen zusätzlichen Stromfluß durch den Heizleiter und/oder durch dessen Wärmeabstrahlung durchgeschmolzen wird.
Ganz besonders vorteilhaft ist, wenn Mittel vorgesehen sind, die das Heizelement zu definierten Zeitpunkten und/oder in definierten Zuständen einschaltbar macht. Das Heizelement wird vorzugsweise erst dann eingeschaltet, wenn ein Fehlerfall ansteht. Als Einschaltkriteri- en können unterschiedliche Zustände, insbesondere Fehlersignale, dienen, vorzugsweise Überstromsignale zur Überstromüberwachung eines Verbrauchers und/oder Temperatursignale zur Übertemperaturüberwachung eines Verbrauchers und/oder Spannungssignale und/oder Crash-Signale, insbesondere, um elektrische Verbraucher bei einem Unfall eines Fahrzeugs vom Bordnetz zu trennen. Durch das gesteuerte Einschalten des Heizelements ist sichergestellt, daß im Normalbetrieb die Schmelzsicherung nicht versehentlich ausgelöst wird, im Fehlerfall dagegen sehr schnell und zuverlässig auslösbar ist.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, daß die Anforderungen an das ursprüngliche Sicherungselement hinsichtlich von Auslegungstoleranzen verringert werden können. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß der ohmsche Widerstand des Sicherung-selements gesenkt werden kann, da das Sicherungselement nicht mehr selbst die ohmsche Verlusteistung zum Auslösen des Schmelzleiters erzeugen muß. Dadurch wird der Spannungsabfall von der Batterie bis zum Verbraucher vorteilhaft verringert.
Ein großer Vorteil der Erfindung ist die Möglichkeit, mit dem gleichen Sicherungs-element verschiedene Charakteristiken und/oder verschiedene nominale Auslöseströme nachzubil- den. Die Auslösekurve des Sicherungselements kann vorteilhaft durch eine geeignete intelligente Steuereinheit dynamisch verändert werden. Dies hat die günstige Folge, daß das glei-che Sicherungselement für unterschiedliche Belastungen eines elektrischen Leiters verwen- det werden kann, insbesondere bei unterschiedlichen Sonderausstattugnsvarianten eines Fahrzeugs und/oder bei verschiedenen Fahrzeugen. Damit ist es möglich, unterschiedliche Fahrzeuge mit einer relativ vereinheitlichten elektrischen Schutzausrüstung zu versehen, was die Fertigung sehr vereinfacht und Kostenvorteil bringt.
Vorteilhafterweise können mehrere solcher erfindungsgemäßen Sicherungselemente bevorzugt über Mehrfachschalter angesteuert werden. Ein bevorzugter Heizleiter des Heizelements ist ein Widerstandsdraht oder ein Folienwiderstand oder ein Dickschichtwiderstand oder ein Kohlewiderstand oder ein sonstiges Element, welches bei elektrischem Stromfluß eine für ein Heizelement ausreichende Joulesche Wärme entwickelt. Zweckmäßigerweise ist ein solcher bevorzugter Heizleiter nicht in unmittelbarem Kontakt mit dem Heizleiter, insbesondere beabstandet zum Schmelzleiter. Vorzugsweise ist eine elektrische Isolierung zwischen Heizleiter und Schmelzleiter angeordnet. Zweckmäßigerweise ist die Isolierung hoch wärmeleitfähig; besonders geeignet sind Materialien wie AlN und/oder Al2O3 und/oder Halbleitermaterialien. Vorteilhaft kann die Verwendung eines Halbleiters als Heizleiter sein, da dieser in unmittelbarem Kontakt mit dem Schmelzleiter sein kann, ohne daß dieser kurzgeschlossen wird.
Die elektrische Isolierung zwischen Heizleiter und Schmelzleiter ermöglicht so die Ausnutzung der vollen Netzspannung für den Heizleiter. Dabei kann das Heizelement einseitig mit der Sicherung elektrisch verbunden sein. Zweckmäßigerweise ist die einseitige Verbindung auf der Bordnetzseite der Sicherung entfernt vorn und parallel zum Verbraucher.
Ein weiteres bevorzugtes Heizelement besteht aus einem exothermen Reaktionselement, insbesondere einer Schweißfolie, die durch Einwirkung eines Zündimpulses eine stark exotherme Reaktion auslöst und in sehr kurzer Zeit sehr hohe Temperaturen erreicht. Der Zündimpuls des Reaktionselements kann vorteilhaft mit einem Transistor oder einem Stromstoß aus einem Kondensator erzeugt werden. Weitere vorteilhafte Möglichkeiten zur Erzeugung eines Zündimpulses sind thermische Aktivierung und/oder Lichtblitz, insbesondere im ultravioletten Bereich, und/oder Zündfunken, insbesondere aus einer Batterie. Hierbei ist es lediglich notwendig, das Reaktionselement lokal zu erwärmen, um die Reaktion zu zünden.
Die Schweißfolie besteht vorzugsweise aus einer Serie von sehr dünnen Metallfolien, insbesondere aus Aluminium- und Nickelfolien, die alternierend aufeinander gestapelt sind. Eine typische Schichtdicke der einzelnen Folien liegt im Bereich von wenigen Atomlagen bis 100 Atomlagen. Durch einen thermischen Puls und/oder einen Lichtblitz und/oder einen Zünd- funken, insbesondere aus einer Batterie, reagieren die beiden Konstituenten miteinander und erwärmen sich typischwerweise in wenigen Millisekunden von 25°C auf über 1000°C. Auch andere Materialkombinationen, die eine derartige exotherme Reaktion eingehen, sind als Reaktionselemente in Folien- oder Pulverform geeignet, insbesondere etwa eine Kombination von Eisen und Aluminium. Dabei kann das Reaktionselement den Schmelzleiter umgeben, insbesondere kann ein pulverförmiges Reaktionsmaterial den Schmelzleiter in einer Kapsel umgeben oder benachbart zum Schmelzleiter in einer Kapsel angeordnet sein.
Der Vorteil hierbei ist, daß diese Ausführung eines Heizelements keine eigene Stromversorgung benötigt, sondern nur einen geeigneten Zündimpuls. Vorteihaft ist, daß sich der Zünd-impuls durch eine geeignete Ansteuerung erzeugen und/oder steuern läßt, so daß eine zu- verlässige und schnelle Auslösung im Fehlerfall ermöglicht ist.
Des weiteren wird eine Schaltungsanordnung eines Sicherungselementes für einen Stromkreis, insbesondere in Fahrzeugen, mit einer Schmelzsicherung vorgestellt, die bei einer über dem Nennstrom liegenden Strombelastung des Stromkreis diesen bleibend unterbricht und die zwischen einer Stromquelle, insbesondere einer Batterie, und wenigstens einem Verbraucher angeordnet ist, und mit einem zusätzlichen Heizelement, welches thermisch mit der Schmelzsicherung gekoppelt ist. Erfindungswesentlich ist dabei, daß das Heizelement bordnetzseitig von der Stromquelle aus hinter der Schmelzsicherung und parallel zu den Verbrauchern über ein Schaltelement, welches von einer Steuerungseinheit zur Steuerung der Heizleistung und/oder einer Auslöseeinheit ansteuerbar ist, auf Masse geschlossen wird. Dadurch wird erreicht, daß
  • a) das Heizelement im Normalbetrieb den Stromfluß zu den Verbrauchern nicht belastet,
  • b) im Auslösefall der Strom durch das Heizelement den Strom durch das Sicherungselement noch zusätzlich erhöht und das Durchschmelzen somit zusätzlich beschleunigt und
  • c) mit dem Durchschmelzen des Sicherungselements auch das Heizelement stromlos geschaltet wird.
    • In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Anordnung dargestellt, die auch alle Merkmale der Schaltungsanordnung aufweist. Eine Batterie 1 versorgt in ei-nem Bordnetz einen Verbraucher 10. Zwischen Batterie 1 und Verbraucher 10 ist ein Sicherungselement angeordnet, welches einen batterieseitigen Anschluß 2, einen bordnetzseitigen Anschluß 3 und einen dazwischenliegenden Schmelzleiter 4 aufweist. In diesem Beispiel ist zweckmäßigerweise noch zusätzlich eine Zinnperle 5 auf dem Schmelzleiter 4 angeordnet. Der Schmelzleiter 4 und die Zinnperle 5 sind thermisch mit einem elektrisch dagegen iso- lierten Heizelement 6 in Verbindung. Dieses Heizelement 6 liegt elektrisch in Serie mit ei- nem steuerbaren Schaltelement 7, beispielsweise dem Drainanschluß eines Mosfets, welcher sourceseitig mit Masse verbunden ist. Der zweite Anschluß des Heizelements 6 ist mit dem bordnetzseitigen Anschluß 3 des Sicherungselements verbunden.
    Mit Hilfe eines Stromsensors 9 und einer Auswerte- und Auslöseeinheit 8 kann der Strom in der Leitung 11 bestimmt werden. In der Auswerteeinheit ist eine Auslösekurve des Sicherungselements abgelegt. Im einfachsten Fall kann dies ein Schwellwert und/oder ein Strom/Zeit-Verhalten des Sicherungselements sein.
    Übersteigt der aktuelle Stromwert diese Auslösekurve, so schaltet die Einheit 8 das Bauelement 7 ein, so daß ein Strom durch das Heizelement 6 fließt und dieses sehr schnell er- wärmt. Der Schmelzleiter 4 der Sicherung wird nahezu ebenso schnell durch die thermische Last des Heizleiters 6 erhitzt, und die Sicherung löst als Folge aus. Da das Heizelement 6 bordnetzseitig mit der Sicherung verbunden ist, kann nach dem Auslösen der Sicherung kein Strom mehr über das Heizelement 6 fließen.
    Vorteilhaft ist, wenn das Heizelement 6 bordnetzseitig an das Sicherungselement 2, 3, 4, 5 angeschlossen wird, da im Auslösefall der Heizkreis des Heizelements 6 automatisch mitgeöffnet wird.
    Günstig ist auch, wenn der Heizstrom, mit dem das Heizelement erhitzt wird, auch durch den Schmelzleiter 4 und/oder das Sicherungselement 2, 3, 4, 5 fließt, da der Heizstrom dann doppelt ausgenutzt werden kann, indem der Schmelzleiter durch die Fremdbeheizung und zusätzlich durch den zusätzlichen Stromfluß erhitzt wird und so schneller über seine Schmelztemperatur erwärmt werden kann.
    Zweckmäßig ist, die elektrische Versorgung der Ansteuereinheit 8 mit dem Anschluß 3 des Sicherungselements 2, 3, 4, 5 zu verbinden, da im Auslösefall die Ansteuereinheit dann automatisch vom Bordnetz abgekoppelt wird.

    Claims (20)

    1. Sicherungselement für einen Stromkreis, insbesondere in Fahrzeugen, mit einer Schmelzsicherung (4), mit einem zusätzlichen Heizelement (6), das mit der Schmelzsicherung (4) thermisch gekoppelt ist, mit einem ansteuerbaren Schaltelement (7), das elektrisch in Serie mit dem Heizelement (6) geschaltet ist, mit einem Stromsensor (9) zur Bestimmung des aktuellen Stromwerts in der Leitung (11), mit einer Auswerteeinheit (8), in der eine Auslösekurve des Sicherungselementes abgelegt ist,
      dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (6) über das Schaltelement (7) mit der Auswerteeinheit (8) verbunden ist und die Auswerteeinheit (8) eine Ansteuereinheit (8) ist zur Steuerung der Heizleistung des Heizelements (6).
    2. Sicherungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (6) einen elektrischen Heizwiderstand aufweist.
    3. Sicherungselement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizwiderstand im Bereich seines höchsten elektrischen Widerstands ein metal lisches Element aufweist.
    4. Sicherungselement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizwiderstand im Bereich seines höchsten elektrischen Widerstands ein Halbleitermaterial aufweist.
    5. Sicherungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (6) ein exothermes Reaktionselement aufweist.
    6. Sicherungselement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionselement eine Schweißfolie ist.
    7. Sicherungselement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißfolie eine Schichtfolge einer Mehrzahl von abwechselnd angeordneten Aluminiumfolien und Nickelfolien aufweist.
    8. Sicherungselement nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (6) elektrisch gegenüber dem Schmelzleiter (4, 5) isoliert ist.
    9. Verfahren zum Betreiben eines Sicherungselements nach Anspruch 1, bei dem ein Strom durch das Sicherungselement gemessen wird, wobei das Sicherungs-element bei einer über dem Nennstrom liegenden Strombelastung ausgelöst und der Stromkreis bleibend unterbrochen wird
      dadurch gekennzeichnet, daß beim Auftreten eines Fehlersignals im Stromkreis ein Heizelement (6) in der Nähe des Sicherungselements (2, 3, 4, 5) erhitzt wird, welches das Sicherungselements (2, 3, 4, 5) erwärmt und daß der Schmelzleiter (4, 5) durchschmilzt.
    10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stromschwellwert als Fehlersignal verwendet wird.
    11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromschwellwert aus einer Auslösekurve des Sicherungselements bestimmt wird, die in einer Auswerteeinheit (8) abgelegt ist.
    12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Temperaturschwellwert als Fehlersignal verwendet wird.
    13. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spannungsschwellwert als Fehlersignal verwendet wird.
    14. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Aufprallsignal als Fehlersignal verwendet wird.
    15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (6) durch elektrischen Stromfluß unmittelbar erhitzt wird.
    16. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (6) durch eine exotherme chemische Reaktion erhitzt wird.
    17. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (6) bordnetzseitig angeschlossen wird, so daß ein Stromfluß durch das Heizelement (6) im Auslösefall gleichzeitig mit dem Bordnetz unterbrochen wird.
    18. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stromfluß durch das Heizelement (6) durch das Sicherungselement (2, 3, 4, 5) geleitet wird.
    19. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuereinheit (8) durch den Kontaktpunkt (3) elektrisch versorgt wird.
    20. Schaltungsanordnung eines Sicherungselementes (2,3,4,5) für einen Stromkreis, insbesondere in Fahrzeugen,
      a) mit einer Schmelzsicherung (4), die bei einer über dem Nennstrom liegenden Strombelastung den Stromkreis bleibend unterbricht und die zwischen einer Stromquelle (1), insbesondere einer Batterie, und wenigstens einem Verbraucher (10) angeordnet ist, und
      b) mit einem zusätzlichen Heizelement (6), welches thermisch mit der Schmelzsicherung (4) gekoppelt ist,
         dadurch gekennzeichnet, daß
      c) das Heizelement (6) bordnetzseitig von der Stromquelle (1) aus hinter der Schmelzsicherung (4) und parallel zu den Verbrauchern (10) über ein Schaltelement (7), welches von einer Steuerungseinheit zur Steuerung der Heizleistung und/oder einer Auslöseeinheit (8, 7) ansteuerbar ist, auf Masse geschlossen wird,
      wobei die Steuerungs-, bzw. Auslöse einheit in Abhängigkeit des aktuellen Stromwertes im Stromkreis steuert, bzw. auslöst.
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